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基于纳米结晶纤维素复合材料的性能机理研究

张浩  
【摘要】:本论文利用催化乙醇法分离获得高纯度木质纤维素,并与酸水解等手段结合制备纳米结晶纤维素(NCC),然后用硅烷偶联剂接枝改性NCC以提高其分散性并制备复合材料,通过对复合材料结构和性能的表征研究其改良机理。 含有4-甲基-2-戊酮、二甲亚砜和甲酸的新型催化剂体系导致传统乙醇法的木质纤维素提取分离温度显著降低,可在130℃条件下分离获得高纯度、高结晶度的纤维素样品,在与酸水解法等配合使用后可初步实现以木片为原料的NCC连续生产工艺。利用FT-IR、XRD、TG、DSC(?)口TEM等对以催化乙醇法分离纤维素为原料制备的NCC进行表征后发现落叶松NCC的聚合度高、结晶结构致密而且失重温度比毛白杨NCC高5.1%,也表现出较均一的外观形态;利用硅烷偶联剂改性落叶松NCC以改善其疏水性能,并与脲醛树脂、丙烯酸酯涂料、聚氨酯水性木器漆和酚醛树脂制成复合材料,研究改性剂种类、NCC用量等因素对复合材料结构和性能的影响规律,结论如下: 将经过3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)改性的NCC与脲醛树脂复配制成复合材料,APTES改性NCC与脲醛树脂基材间的接触角下降了26.4%,而MPS改性NCC与脲醛树脂基材间的接触角下降了24.1%。经过APTES改性处理的NCC具有较强的物理和化学吸附能力,导致胶合板的游离甲醛释放量下降53.2%,而MPS改性NCC的添加仅使游离甲醛释放量下降21.3%;添加改性NCC对纤维板游离甲醛释放量的改善效果不明显。通过形成稳定的交联网络结构,APTES改性NCC使胶合板的内结合强度提高了23.6%,而MPS改性NCC使胶合板的内结合强度仅提高7.0%;APTES和MPS改性NCC的添加使得纤维板的抗弯强度分别提高了46.1%和35.7%。 利用3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)(?)口3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)改性的NCC与丙烯酸酯涂料复配制成复合材料,两种改性剂分别导致NCC与丙烯酸酯基材间的接触角下降22.8%和19.6%。添加了GPTMS改性NCC的丙烯酸酯复合材料镜面光泽度提高了33.3%,明显高于MPS改性NCC;利用GPTMS改性NCC与丙烯酸酯制成的复合材料耐磨性提高59.4%,而经过MPS改性的NCC对复合材料耐磨性的改善效果为45.3%;NCC改性剂的不同种类对丙烯酸酯复合材料铅笔硬度的影响较小;改性NCC对复合材料水分吸收率的影响明显强于乙醇吸收率。 分别以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)为改性剂处理NCC,并将改性NCC添加到聚氨酯水性木器漆中复配。相比GPTMS改性NCC,经过APTES改性的NCC表面疏水性基团的接枝率更高、其在木器漆基材中的分散状态也更加均匀,而且改性NCC的结晶结构相对稳定。分析APTES改性NCC/水性木器漆复合材料的性能可知表面改性NCC的添加导致复合材料的耐黄变性能比对照组提高超过50%,镜面光泽度的增强达到164.8%,复合材料的力学性能也得到明显改善。 利用3-(2-氨乙基)-氨丙基甲基二甲氧基硅(MCPS)和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)改性NCC复配酚醛树脂。相比MPS,MCPS改性导致NCC疏水性能提高更加明显。通过NCC晶须与酚醛树脂分子链间形成的共价键或者氢键连接使基材的机械性能得到明显改善:MCPS改性NCC导致酚醛树脂复合材料的抗张强度和抗弯强度分别增强155.5%和23.8%,显著高于MPS改性NCC;但是NCC的表面改性剂种类对复合材料冲击强度的改善效果影响较小。


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